不同種屬動(dòng)物MHC基因研究概況

劉乃芝 趙云蛟 林 攀

【摘要】 主要組織相容性復(fù)合體(Major histocompatibility complex,MHC)是由染色體上一系列緊密連鎖的基因位點(diǎn)組成的高度多態(tài)性基因群,在脊椎動(dòng)物體內(nèi)普遍存在。其編碼產(chǎn)物為免疫球蛋白樣受體。MHC與免疫功能密切相關(guān),能夠控制同種移植排斥反應(yīng)、應(yīng)答免疫以及調(diào)節(jié)免疫等。本文依據(jù)進(jìn)化過程,概述了不同種屬動(dòng)物(軟骨魚類、真骨魚類、兩棲類、家禽、常見哺乳動(dòng)物及野生動(dòng)物等)的MHC基因研究進(jìn)展,以及MHC基因類型與抗病性和繁殖性能之間的關(guān)系等,同時(shí)文章還綜述了MHC基因研究的意義與實(shí)際應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 MHC基因 遺傳特性 研究意義

基金項(xiàng)目:教育部第41批博士后基金(資助編號(hào)20070410999);吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)博士啟動(dòng)基金

MHC基因編碼主要組織相容性抗原,并且控制同種移植排斥反應(yīng)、免疫應(yīng)答和免疫調(diào)節(jié)等。MHC的基因產(chǎn)物稱為MHC抗原或MHC分子,是由MHC編碼的一類細(xì)胞表面轉(zhuǎn)膜蛋白,能夠?qū)Ω鞣N外源抗原進(jìn)行識(shí)別,因此,不同個(gè)體抗寄生蟲能力以及對(duì)自身免疫疾病易感性的差異均受MHC遺傳背景的影響。MHC基因一般具有高度的多態(tài)性,其多態(tài)性水平的降低可能導(dǎo)致種群內(nèi)個(gè)體對(duì)突發(fā)性傳染性病原體的抵抗力減弱,種群抗病能力單一及生存力和生產(chǎn)力下降等。許多物種的遺傳多樣性水平、進(jìn)化歷史和種群動(dòng)態(tài),以及種群遺傳結(jié)構(gòu)等信息,可以通過對(duì)MHC的遺傳變異分析得到,因此有關(guān)動(dòng)物MHC的研究正逐步地引起越來越多的動(dòng)物學(xué)家的興趣,成為目前研究的熱點(diǎn)。

1.MHC分子的遺傳特性

各種動(dòng)物MHC之間具有一定的同源性,如囊翼蝠與大熊貓的同源性為91%,這表明該遺傳結(jié)構(gòu)在群體演化和進(jìn)化中可能有相似作用。MHC分子還具有單體型遺傳特點(diǎn),在遺傳過程中MHC單體型作為一個(gè)完整的遺傳單位由親代傳給子代。其中基因之間有一定的交換和重組。此外,MHC分子還具有廣泛的多態(tài)性和特異性,主要是由于復(fù)等位基因、共顯性、基因突變和選擇壓力所致,其中復(fù)等位基因是直接的遺傳因素。MHC復(fù)合體各等位基因均有各自的基因頻率。MHC的基因座是緊密連鎖的,但其各基因并非完全隨機(jī)的組成單體型,某些基因比其他基因能更多或更少地連鎖在一起,從而出現(xiàn)連鎖不平衡。它與某些疾病的易感性有關(guān)(AnderssonL,1986b)。

2.MHC的研究概況

根據(jù)MHC基因編碼產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、表達(dá)方式、組織分布與功能的不同,將其分為Ⅰ類基因、Ⅱ類基因和Ⅲ類基因,但各種動(dòng)物的命名各不相同。自1990年,從一些冷血?jiǎng)游镏械玫搅薓HC基因,以后又依次從軟骨魚類,真骨魚類,兩棲類中分離出Ⅰ、Ⅱ類基因。有關(guān)MHC的研究在高等動(dòng)物中也非?；钴S。一是出于經(jīng)濟(jì)目的,期望通過對(duì)畜禽MHC的改造提高其生存力和生產(chǎn)力;二是針對(duì)人類器官移植中供體的缺乏,期望對(duì)動(dòng)物MHC的人源化使動(dòng)物器官能夠移植給人類;三是源于對(duì)野生動(dòng)物尤其是瀕危動(dòng)物的保護(hù),以維持生態(tài)平衡;另外,隨著研究的深入,人類有可能真正了解MHC的起源和進(jìn)化,并為研究其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用起到促進(jìn)作用。

2.1軟骨魚類MHC

軟骨魚類MHC的研究以鯊魚(sharks)為代表。鯊魚中有經(jīng)典和非經(jīng)典Ⅰ類基因以及RING3、LPM2、HSP70、TAP1、TAP2、Bf等基因。鯊魚對(duì)同種移植物只有慢性排斥反應(yīng),而沒有像其他真骨魚及高等脊椎動(dòng)物那樣的急性排斥反應(yīng)。鯊魚MHCⅠ類分子有許多共性,而且Ⅰ類基因的CDNA顯示多態(tài)性,變異位點(diǎn)多位于肽結(jié)合區(qū)。

2.2真骨魚類MHC

以斑馬魚(zebrafish)為代表的真骨魚的MHC與人類HLA主要有以下幾點(diǎn)不同:①Ⅰ類A基因和Ⅱ類A、B基因不在同一個(gè)連鎖群;②Ⅱ類基因能在兩個(gè)或以上的不相連位點(diǎn)編碼;③在19號(hào)連鎖群中有兩個(gè)緊密相關(guān)的Ⅰ類A基因與LMP7、LMP2、TAP2、RING3、RXRB相關(guān);④沒有Ⅲ類基因與MHC其他基因相關(guān)的證據(jù)。

2.3兩棲類MHC

以爪蟾為代表,只含有一個(gè)經(jīng)典Ⅰ類基因。而且肽結(jié)合區(qū)與胞膜區(qū)不連接。其他基因(如Ⅱ、Ⅲ類基因、TAP、LMP等)也存在。但基因定位研究表明,三類基因的排列順序從中心粒開始依次是Ⅱ、Ⅰ、Ⅲ,而不是人類那樣Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ順序(Flajnik MF et al,1999)。

2.4家禽的MHC

根據(jù)MHC分子編碼蛋白的類型,把家禽MHC分子分為三類:B-F、B-L、B-G。其中的B-F和B-L分別相當(dāng)于哺乳動(dòng)物的Ⅰ類和Ⅱ類基因,而B-G是禽類特有的基因位點(diǎn),也稱為Ⅳ類(ClassⅣ)。隨著生物技術(shù)的發(fā)展,雞的MHC的B-F、B-L、B-G分別被克隆,其中的B-F、B-L部分已被測(cè)序。Briles等(1950)首次發(fā)現(xiàn)雞的血細(xì)胞表面抗原是由MHC(B復(fù)合物)基因編碼。Guillemot(1988)首次對(duì)雞MHC I類分子的cDNA進(jìn)行了克隆。

2.5常見哺乳類MHC

哺乳類動(dòng)物MHC的組成基本上與人類HLA相似,但不同的動(dòng)物又稍有不同。在人醫(yī)研究中,HLA分型已經(jīng)應(yīng)用于器官移植和骨髓移植,靈長(zhǎng)類MHC基因的研究資料非常豐富,在這里暫不做詳盡論述。

2.5.1牛的MHC(BoLA)

牛的MHC位于第23號(hào)染色體上(Fries R et al,1986)。1978年Amorena等首次對(duì)牛的MHC基因進(jìn)行了報(bào)道,并將其命名為BoLA。目前在classⅠ基因區(qū)域只發(fā)現(xiàn)含有一個(gè)編碼α鏈的BoLA-A基因位點(diǎn)。它與HLAⅠ類基因的大小相似,其功能是編碼Ⅰ類抗原的α鏈。ClassⅡ類甚因是由編碼Ⅱ類抗原α鏈的DA基因和編碼β鏈的DB基因組成。DA基因包括DRA、DQA、DNA、DMA和DYA等。DR基因含有DRA、DRB₁、DRB₂、DRB₃等四個(gè)基因座位,其中DRA是高度表達(dá)的基因座位,DRB₁是假基因,DRB₂的表達(dá)量非常低或者根本不表達(dá),DRB₃是個(gè)高效表達(dá)的基因座位。DQ基因?yàn)榭蓮?fù)制基因,至少含有DQA₁、DQA₂、DQB₁、和DQB₂等四個(gè)基因座位,均為高效表達(dá)。DB基因包括DYA、DYB、DNA、DOB、DMA、DMB、DIB、TAP₁、LMP₂和LMP₇等。

2.5.2綿羊的MHC(OLA)

綿羊的OLA位于20號(hào)染色體上(Anills M et al,1996)。綿羊MHC Class Ⅱ基因區(qū)域與人的相似,包括DQ和DR兩個(gè)亞區(qū),其中的DRB和DQB兩個(gè)基因位點(diǎn)所編碼的MHC抗原在其免疫系統(tǒng)中發(fā)揮著最主要的作用;其第二外顯子編碼抗原的功能區(qū)(抗原結(jié)合區(qū))具有豐富的多態(tài)性,它組成Ⅱ類抗原分子功能最重要的部分。現(xiàn)在已經(jīng)知道了14個(gè)綿羊的MHC classⅡ位點(diǎn),其中DRB₁,DRA₁,DQA₁,DQB₁,DQA₂和DQB₂六個(gè)是可以轉(zhuǎn)錄的。

2.5.3鹿的MHC

鹿科動(dòng)物MHC基因的結(jié)構(gòu),也分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類基因,其中Ⅱ類基因多態(tài)性最為豐富,每個(gè)亞區(qū)包括DR、DQ等基因座,每個(gè)基因有多個(gè)不同等位基因通過對(duì)馬鹿MHC的DRB基因的克隆及其第二外顯子的測(cè)序,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中每頭鹿有1—4個(gè)DRB序列,第二外顯子區(qū)域的α螺旋和β片層處還常出現(xiàn)變異,這些可以作為進(jìn)化歷史的標(biāo)志。

2.6野生動(dòng)物的MHC

近年來對(duì)揚(yáng)子鱷、大熊貓、云豹、豹、東北虎等瀕危野生動(dòng)物的MHC的研究有了新的成果。而作為2003年中國(guó)和亞洲地區(qū)爆發(fā)的SARS病毒引起的傳染病的宿主——蝙蝠,其MHC也正在逐步進(jìn)入動(dòng)物學(xué)家的研究視野。

史燕等利用一對(duì)簡(jiǎn)并引物對(duì)揚(yáng)子鱷MHCⅡ類B基因第2外元的部分片段進(jìn)行擴(kuò)增,發(fā)現(xiàn)揚(yáng)子鱷MHCⅡ類B基因第2外元有較高的多態(tài)性,有利于揚(yáng)子鱷飼養(yǎng)種群的遺傳保護(hù)。

張婷等研究了大熊貓DQB和DRA基因。將大熊貓的8種DRA基因序列與貓和狗的DRA基因的同源序列進(jìn)行比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),與狗相比,大熊貓與貓的序列親緣關(guān)系更近。

王倩等使用一對(duì)簡(jiǎn)并引物擴(kuò)增了云豹(Necfelis nebulosa)、豹(Panthera pardus)和東北虎(Panthera tigris altaica)等3種貓科動(dòng)物MHCⅡDRB基因第二外顯子的片段,結(jié)果顯示,豹和東北虎的親緣關(guān)系較近,而兩者與云豹的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。

馬躍等(2006)分析了,感染禽流感病毒和未感染禽流感病毒的虎的MHCⅠ類基因的多態(tài)性及其與感染禽流感病毒易感性的關(guān)系,表明MHCⅠ類基因遺傳多樣性低,對(duì)病毒性疾病比較敏感,而低頻等位基因在繁殖過程中容易丟失,進(jìn)而可能加劇病毒性疾病的敏感性。由此可見,在遺傳管理中特別要重視低頻等位基因的保存。

蝙蝠MHC基因的研究目前還不是特別深入。Mayer等(2007)首次在翼手目中研究MHC基因,其研究參照人類的MHC基因(HLA)設(shè)計(jì)引物,對(duì)囊翼蝠(sac-winged bat Saccopteryx bilineata)MHCⅡ類基因DRB1第二外顯子進(jìn)行PCR擴(kuò)增克隆,85個(gè)囊翼蝠個(gè)體檢測(cè)到11個(gè)等位基因,但該研究未涉及蝙蝠MHC基因與疾病的關(guān)系,蝙蝠MHC基因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、蝙蝠種群MHC基因多態(tài)性與疾病的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

3.MHC與疾病病因、免疫的相關(guān)性及其研究意義

MHC的研究具有非常重要的意義。一方面,它與畜禽疾病的抗病性和易感性以及生產(chǎn)性能等密切相關(guān),可以通過遺傳標(biāo)記輔助選擇進(jìn)行抗病育種,以培育出高產(chǎn)、抗病力強(qiáng)的畜禽品種。另一方面,通過對(duì)MHC基因的測(cè)序工作,找到相應(yīng)疾病的易感基因或抵抗基因,從而可能預(yù)防和治療這些自身免疫性疾病。

對(duì)于野生動(dòng)物尤其是瀕危動(dòng)物而言,將其作為一種遺傳標(biāo)記用于種群遺傳結(jié)構(gòu)和變異性的分析,進(jìn)行保護(hù)遺傳學(xué)研究,已成為近年來研究的熱點(diǎn)和新的增長(zhǎng)點(diǎn)。MHC的變異可反映基因組水平的變異,通過對(duì)MHC基因的變異進(jìn)行分析,可有效地評(píng)估種群遺傳多樣性水平。同時(shí),MHC的變異性水平被認(rèn)為是生物體識(shí)別外來寄生物(細(xì)菌、病毒、原生動(dòng)物及其他寄生蟲和噬菌體)能力的重要依據(jù),這樣可以為病毒傳播機(jī)制的研究提供宿主特異性方面的直接證據(jù)。同時(shí)還可以為野生動(dòng)物傳染病傳播預(yù)警提供科學(xué)依據(jù),指導(dǎo)野生動(dòng)物傳染病的防治和免疫。

【參考文獻(xiàn)】

[1]AnderssonL(1986b)Genomic hybridization of bovine class ⅡMHC genes:2. Extensive polymorphisms of DQA and DQB genes. Animal Genetis, 17,95-112.

[2]Anills M,Francino O(1996) A PCR - RFLP tyimal method for the Caprine MHC class I DRB gene. Veterinary Immunology and Immunopathology, 55,255-260.

[3]Briles W E (1950)On multiple alleles effecting cellular antigens in the chicken. Genetics, 35,633-652.

[4]Flajnik MF,Ohta Y, Yamada CN (1999) Immunol Rev, 167,59.

[5]Fries R,Hediger R,Stranzinger G(1986) Tentati-ve chromosomal localization of bovinemajorhiatocompatibility complex by in situ hybridization.Anim Genet, 17(4),287-294.

[6]Guillemot F, Billault A ,Pourquie O (1988) the class II beta genes are closely linked to the class I genes and the nucleolar organizer. A molecular map of the chicken major histocompatibility complex. Embo J, 7,2775-2785.

[7]Lewin H A, Russell GC, Glass EJ(1999)Comparative organization And functionof the major histocompatibility complex of domesticated cattle. Immunology Review, 167,145-158.

[8]Ma Y(馬躍) ,Zhang W(張偉) ,Xu YC(徐艷春)(2006)Research on relationship betweenMHC gene polymorphism and susceptibility of influenza in panthera tigris. Northeast Forestry University

[9]Mayer F,Brunner A(2007) Non-neutral evolution of the major histocompatibility complex class II gene DRB1 in the sacwinged bat Saccopteryx bilineata.Hereditics 99(3),257-264.

[10]Swarbrick P A , Schwaiger F W, Epplen J T (1995) Cloning and sequencing of expressed DRB genes of the red deer ( Cervus elaphus)Mhc.Immunogenetics , 42(1) ,129.

[11]Swarbrick P A,Crawford A M (1997) The red deer ( Cervus elaphus)contains two expressed major histocompatibility complex class Ⅱ DQB genes. Anim Genet,28 (1),49-51.

[12]Takahata N, Nei M(1990) Allelic genealogy under overdominant and frequency-depe- ndent selection and polymorphism of major histocompatibility complex loci.Genetics,124,967-978.

劉乃芝 (1982-),女,碩士研究生。

趙云蛟 (1970-),女,博士后,副教授,碩士研究生導(dǎo)師。研究方向:動(dòng)物分子免疫學(xué)和保護(hù)生物學(xué)。